Книги по разным темам
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 11, №5(2), 2009 УДК 621.793 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ДИАГНОСТИКИ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ й 2009 П.Ю. Гуляев, А.В. Долматов Югорский государственный университет Поступила в редакцию 21.11.2009 Представлена физическая модель двухфазного плазменного потока в виде потока псевдогаза частиц, чувствительного к ударным волнам. Разработана методика интегральной диагностики распределения частиц по скорости и температуре в импульсном плазменном потоке. Приведен пример практической реализации диагностической системы для технологии детонационного напыления. Ключевые слова: физическая модель, плазменное напыление, технология, диагностика, распределение, скорость, температура Одним из способов нанесения покрытий и методов диагностики скорости, является уравконструирования функционально-градиент- нение непрерывности, описывающее движеных материалов является плазменное напыле- ние потока ньютоновской жидкости (псевдоние. Прочность сцепления между слоями и газа частиц), чувствительной к ударным волn r основой в технологиях напыления в наибольнам: + div(n) = 0, где n=N(t)/V - концентрашей степени зависит от температуры и скороt сти частиц, транспортируемых плазменным ция частиц в измерительном объеме V.
потоком. В технологии детонационного напыВведем обозначения: (t) = -(n t) V ления импульсное воздействие низкотемпераинтенсивность потока частиц, пересекающих турной плазмы образует ансамбль частиц, напоперечное сечение измерительного объема V правленный на подложку и характеризую(число частиц в единицу времени);
щийся распределениями скорости и темперапог (t) = (n x) S = (n x) V l - погонная туры. Диагностика этих распределений позвоплотность частиц, приведенная к толщине изляет контролировать качество покрытия или мерительного объема l, число частиц на едиматериала в процессе его формирования. Быницу длины. Запишем уравнение непрерывностротечность и термодинамическая нестациости в одномерном виде: (t)=пог. Отсюда опнарность импульсных плазменных потоков ределим скорость потока:
затрудняет проведение диагностики скорости и температуры как традиционными зондовы = /пог (1) ми и контактными методами, так и бесконИнтегральная скоростная характеристика (1) тактными оптическими методами лазерной выражает скорость ансамбля или группы из N анемометрии и пирометрии [1, 2] из-за сильчастиц, находящихся в определенный момент ного влияния рефракции в высокотемпературвремени в измерительном объеме. Это позвоных зонах потока и турбулентных завихрений ляет перейти к модели многоскоростного на границах скачка давления. Системы интетвердофазного континуума. Континууму с гральной оптической диагностики дисперснономером i соответствует плотность i, скофазных сред основаны на регистрации интерость i, (i=1, 2,..., K) и другие параметры.
грального излучения от всего ансамбля часМетодика диагностики скоростных хатиц в двухфазном потоке, и поэтому рефракрактеристик двухфазного потока заключается ционные явления не оказывают на них сущев последовательном выделении оптическими ственного влияния, но требуется разработка средствами теплового излучения одинаковых методик оценки распределений скорости и порций частиц потока, описываемых как контемпературы в пределах измерительного объема.
тинуумы, измерении времени пролета каждым Основной физической моделью, лежаконтинуумом известного базового расстояния, щей в основе интегральных времяпролетных _ задаваемого несколькими фотоприемниками.
Гуляев Павел Юрьевич, доктор технических наук, професВ качестве оптического преобразователя, в сор кафедры физики и общетехнических дисциплин. E-mail общем случае должна применяться линейная : P_Gulyaev@ugrasu.ru многоэлементная матрица из M фотодиодов.
Долматов Алексей Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта. EИнтенсивность потока частиц определяют по mail : ADolmatov@bk.ru Физика интенсивности светового излучения, а плот N (t) d( N (t) ) ji L ji ность потока частиц - по разности интенсив- d = L tкв tкв ностей входящего и выходящего потока час.
тиц в сечениях, задающих базовое расстояние пролета L (рис. 1).
Число частиц, вошедших в j-ое сечение к моменту времени t, есть сумма числа частиц Nj(t), входящих в сечение j за время dt, по рассматриваемому временному отрезку, то же справедливо и для числа частиц Ni(t), вышедших за время t через сечение i.
t Nвх j(t) = J ( )d j K00(T ) t Nвых i(t) = Ji( )d, K00(T ) (5) где Jj(t) и Ji(t) сигналы фототока, снимаемые с j-го и i-го фотодиодов соответственно. На основе (3), (4) и (5) получим:
Рис. 1. Схема диагностики распределения скорости частиц конденсированной фазы t в потоке плазмы (t) = ji J ( )d tквK00 (T ) (6) Количество частиц в i-ом сечении в некоторый момент времени t может быть найдеПерепишем выражение (1) с учетом (3) и (6):
но как произведение погонной плотности пог t на этом участке на ширину сечения l:
ji J ( )d r Ni(t) = i(t) l. =.
tквK00 (T ) N (t) ji Введем понятие средней погонной плот- ности частиц, как отношение разности числа L (7) частиц Nвхj(t), вошедших через j-ое сечение и числа частиц Nвыхi(t) вышедших через i-ое, к Допустим, что изменением погонной плотнорасстоянию L между ними:
сти пог между сечениями i и j можно пренебречь (меняется незначительно на выбранном N (t) Nвых j (t) - Nвх i (t) ji интервале), тогда:
(t) = =.
L L (2) N (t) N (t) ji Ni (t) j (t) =.
Запишем уравнение непрерывности для од- пог L l l (8) номерного случая:
Окончательно, для скоростей потока в сечениd пог (t) d (t) ях i и j, выражая N(t) из (4) и проводя некото= dt dx рые упрощения, получим следующие соотно. (3) шения:
Из (3) изменение средней интенсивности t d (t) в сечении L за период квантования ji J ( )d l сигнала tкв будет равно (без учета знака):
i = ;
tкв Ji (t) L t d (t) = d пог (t), ji J ( )d tкв (4) l =.
j tкв J (t) j (9) а с учетом (2), получим:
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 11, №5(2), Максимальная прочность сцепления по- излучения. В результирующем спектре U рошка с основой при напылении определяется суммируются интенсивности излучения нестепенью прогрева частиц порошка до темпе- прерывного теплового и линейчатого спекратуры плавления без перехода основной мас- тров, что делает невозможным определение сы частиц в жидкую фазу. Нагрев частиц по- точного температурного распределения Z по рошка является результатом вынужденного формуле (10) напрямую, с использованием конвективного теплообмена с импульсным формулы Планка для получения матрицы А.
плазменным потоком. Поэтому определение Поставленная задача достигается благотемпературы частиц непосредственно перед даря тому, что в заданном сечении дважды моментом взаимодействия с основой пред- производиться измерение интенсивности ставляет важную технологическую задачу. спектральных линий излучения плазменного Методика определения температуры потока, сначала без частиц конденсированной частиц в потоке напыления включает измере- фазы в виде вектора значений S(l1), S(l2) ние интенсивности излучения при разложении Е.,S(li),Е, S(lN), а потом суммарного тепловов спектр. При этом во время измерения произ- го и линейчатого спектра двухфазного плазводят суммирование спектральных интенсив- менного потока U, из которого затем исклюностей на N длинах волн от пролетающих раз- чаются все значения на тех длинах волн lk, где нородно нагретых частиц конденсированной интенсивность спектральных линий плазмы фазы. Получается суммарный тепловой спектр S(lk) не равна нулю, а из матрицы A, полученU от разнородно нагретых частиц, который ной по формуле Планка, исключаются соотявляется вектором значений U(l1), U(l2), ветствующие столбцы и строки с элементами ЕU(li),ЕU(lN), где U(li) есть суммарная спекa(li,Tj ), где i и j равны k (рис. 2). Затем темтральная интенсивность, полученная на длине пературное распределение находится по форволны li. Гистограмма Z температурного расмуле (10), а средняя температура частиц конпределения частиц, которая представляет соденсированной фазы по формуле (11).
бой вектор значений на N заданных температурах, определяют по следующей формуле:
Z = A-1 U, (10) где А - матрица размером N x N значений a(li,Tj ) спектральной интенсивности излучения абсолютно черного тела, определяемых по формуле Планка на каждой из N длин волн и каждой из N заданных температур. Среднюю температуру частиц находят по формуле:
N N Рис. 2. Схема диагностики температурного Tср = Z(T ) Ti Z(T ) i i распределения частиц конденсированной i=1 i=, (11) фазы в потоке плазмы:
1 - оптическая система; 2 - изображение сечения где Tср - имеет вполне определенный физичеплазменного потока; 3 - двухфазный плазменный поский смысл только для одномодовых распреток; 4 - входная щель спектрального дисперсионного делений частиц Z(Ti) или может быть вычисустройства; 5 - спектральное дисперсионное устройлена для совокупности нескольких локальных ство; 6 - фотоприемник из N элементов; 7 - аналоготемпературных распределений частиц.
цифровой преобразователь; 8 - переключатель режиВ технологиях плазменного нанесения по- мов; 9 - блок выделения спектральных линий; 10 - блок цифровой обработки сигналов; 11 - гистограмма крытий газовая фаза используется для транстемпературного распределения частиц) портировки частиц конденсированной фазы к подложке. При этом газовая фаза обладает Методика диагностики распределения значительной температурой и имеет линейчаскорости и температуры потока детонационтый спектр собственного излучения, в котоного напыления реализована авторами в комрый входят линии излучения транспортируюпьютерной автоматизированной системе ИСТ щего газа и незначительные следы линий из2.4 [3]. Аппаратная часть системы состоит из лучения-поглощения испарившихся в процессветоприемников, которые расположены у се переноса мелких частиц порошка. Все насреза ствола установки напыления. Они согретые частицы конденсированной фазы имеют единены оптическим волокнами с блоком непрерывный спектр собственного теплового Физика оптоэлектронных преобразователей (ОЭП). 4.2 при частоте работы установки напыления Сигнал с блока ОЭП поступает на плату ана- 8-10 Гц может осуществлять диагностику палого-цифрового преобразования (АЦП), раметров конденсированной фазы потока в встроенную в компьютер посредством шины режиме реального времени и пригоден для PCI. Работа АЦП и программной части диаг- работы в автоматизированных системах техностического комплекса синхронизована с ус- нологического контроля за процессом нанесетановкой детонационного напыления. ния покрытий. Погрешность измерения скорости диагностической системой ИСТ 2.4 составляет 5%, а температуры 10%.
Выводы: методика измерения теплофизических параметров потока детонационного напыления, изложенная в данной статье, позволила создать способ диагностики распределения температуры и скорости частиц конденсированной фазы в процессе нанесения покрытий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Овсянников, А.А. Диагностика низкотемпературной плазмы / А.А. Овсянников, В.С. Энгельшт, Ю.А. Лебедев и др. - Новосибирск: Наука, Рис. 3. Распределения скорости, 1994. - 485 с.
относительной массы и импульса порошка 2. Засименко, В.М. Методы и средства оптической в потоке за один цикл напыления пирометрии / В.М. Засименко, В.И. Лах, Г.П.
Самченко, С.П. Фуртак. - М.: Наука, 1983. - С.
Автоматизированная система диагности43.
ки ИСТ 2.4 апробирована на установке дето- 3. Евстигнеев, В.В. Оптоэлектронный диагностический комплекс для контроля скорости конденсинационного нанесения покрытий Катунь-М рованной фазы импульсного потока в установках [4]. В результате исследований удалось восдетонационно-газового напыления / В.В.
становить в каждом цикле напыления распреЕвстигнеев, П.Ю. Гуляев, М.А. Гумиров и др. - деление средней по ансамблю скорости часВолгоград: РПК Политехник, 2004. - С. 109тиц с минимальной массовой долей ансамбля 111.
до 0,1%, что дало возможность анализировать 4. Гуляев, П.Ю. Автоматизация контроля теплофипараметры напыляемого порошка в различных зических параметров в технологиях детонационного напыления / П.Ю. Гуляев, А.В. Долматов // частях потока детонационного напыления Системы управления и информационные техно(рис. 3). Кроме того, эксперименты показали, логии. - 2009. - № 1.2(35). - С. 230-233.
что программно-аппаратный комплекс ИСТ PHYSICAL PRINCIPLES OF DIAGNOSTICS IN TECHNOLOGIES OF THE PLASMA SPRAYING й 2009 P.Yu. Gulyaev, A.V. Dolmatov Yugorsky State University Physical model is introduced, presenting a two-phase plasma flow as a flow of pseudo-gas particles in which shock waves can propagate. Methods of integral diagnostics of particles velocity and temperature distributions in an impulse plasma flow are developed. Example of practical realization of diagnostic system for detonation spraying is given.
Key words: physical model, plasma spraying, technology, diagnostics, distribution, velocity, temperature _ Pavel Gulyaev, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of Physics and Technical Disciplines.
E-mail: P_Gulyaev@ugrasu.ru AlekseyDolmatov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of Automobile Transport.
Книги по разным темам